[论文解读] A soft robotic tongue to develop solutions to manage swallowing disorders

Marco Marconati, S. Pani+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2020

Tracheal and airway disorders参考文献 28被引用 7

一句话总结

本研究提出一种受人类舌部力学启发的柔性机器人舌部促动器，以实现吞咽动力学的逼真体外测试。通过集成可调润湿性和可控气动驱动，该系统复刻了生理相关的口腔转运时间、食团速度和腭压——表明最佳舌部协调可最小化转运时间与残留物，而粘稠、剪切稀化液体在协调性较差时仍能改善食团控制。

ABSTRACT

The development of novel texture adaptations for the management of swallowing disorders could be accelerated if reliable in vitro tests were made available. This study addresses some of the limitations of swallowing in vitro models, by introducing a soft robotic actuator inspired by the tongue. The wettability of the soft-robotic actuator was engineered to achieve physiologically relevant contact angles to allow comparing dry and lubricated conditions. The actuator design and the control algorithm are designed to offer flexibility in the swallowing patterns to consider different scenarios, including poor lingual coordination. In vitro swallowing tests with shear thinning liquids were performed as a proof of concept and showed physiologically relevant oral transit time, bolus velocity and palatal pressure. Both the bolus rheology and the coordination of the peristaltic contractions influenced the temporal evolution of the bolus velocity and the bolus transit time. This novel soft robotic tongue, its integration in an in vitro oral cavity and its flexible control can therefore contribute to developing better solutions to manage swallowing disorders.

研究动机与目标

• 为解决现有体外吞咽模型的局限性，特别是几何结构过于简化、材料刚性以及缺乏唾液润滑模拟。
• 开发一种柔性机器人舌部促动器，通过嵌入腔室的气动膨胀来模拟蠕动舌部运动。
• 实现对食团流变性、舌部协调性和润滑性对口腔转运时间与腭压影响的受控研究。
• 提供一种可扩展、灵活的体外平台，用于筛选针对口咽性吞咽困难的新食品配方。
• 通过调节促动器控制中的定时参数，评估舌部协调不良对食团控制与清除效率的影响。

提出的方法

• 基于临床3D网格设计并3D打印了一个半透明的体外口腔腔体，经修改以适配柔性机器人舌部。
• 柔性机器人舌部由气动可膨胀促动器构成，其后部和前部腔室通过压力调节实现控制，以模拟蠕动波。
• 对促动器表面润湿性进行工程设计，以匹配人类舌部特性，从而实现干燥与润滑条件的对比。
• 通过高速摄像记录食团运动，使用嵌入式传感器测量腭压，并利用超声多普勒剖面追踪食团速度。
• 系统性地改变控制参数，包括后部腔室泄压与前部腔室充气之间的时间延迟（tA），以模拟协调与不协调吞咽。
• 采用剪切稀化液体（4.59% w/w 的TUC溶液）作为食团模型，以评估流变性对转运动力学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 前部舌部充气相对于后部泄压的时间延迟如何影响口腔转运时间与食团速度？
• RQ2 在体外模型中，不同协调模式下食团流变性与腭压的变化程度如何？
• RQ3 表面润滑的存在与否如何影响食团残留与转运动力学？
• RQ4 该柔性机器人舌部能否复刻厚性、剪切稀化液体的生理相关口腔转运时间与腭压？
• RQ5 舌部协调不良对食团控制与清除效率有何影响？

主要发现

• 在完美协调条件下（tA = 0 s）达到最短口腔转运时间（0.27 s），当将前部腔室充气延迟0.2 s时，转运时间增加至0.41 s。
• 观察到协调延迟（tA）与转运时间之间存在非单调关系，无论是延迟还是提前收缩均导致转运时间增加，但增幅小于设定延迟。
• 食团速度剖面在0.6 s后出现特征性第二峰值，源于后部腔室重新充气；当tA = 0 s时，该峰值幅度降低，表明腭部残留食团更少。
• 缺乏润滑使薄食团残留略有增加，但对转运时间影响可忽略，表明润滑对低粘度液体更为关键。
• 即使前部充气延迟0.2 s，使用最稠厚的TUC溶液（4.59% w/w）时也未发生食团过早溢出，证实高粘度与剪切稀化行为具有保护作用。
• 随着食团一致性的增加，腭压升高，且前舌部位施加的压力更高，反映出吞咽过程中生理性的压力梯度。